天津医科大孙少凯/天津第三中心医院经翔团队：极简锰基水凝胶介导的磁共振成像引导下微波消融-化学动力学联合治疗用于肿瘤完全清除

微波消融（Microwave ablation, MWA）是实体肿瘤常用的微创治疗手段，已广泛应用于肝脏、肾脏、肺、甲状腺、乳腺等全身数十种实体肿瘤的治疗。尽管如此，消融后肿瘤残存现象显著影响了患者预后，增加了医疗经济负担，是目前MWA临床使用过程中面临的一项重要难题。MWA联合化学动力学疗法（Chemodynamic Therapy, CDT）被认为是一种颇具前景的肿瘤完全清除策略。一方面，MWA凭借升温快、热效率高及消融范围大的特性，可灭活大部分瘤体组织；另一方面，肿瘤微环境响应产生的活性氧（ROS）可有效杀伤消融后的残存肿瘤，从而有望实现肿瘤完全清除。然而，开发一种兼具简便、通用、生物相容性良好和成像引导下功能的MWA-CDT联合治疗平台来实现肿瘤的完全清除仍然存在一定挑战性。因此，天津医科大学孙少凯教授联合天津市第三中心医院经翔教授团队提出了一种极简型锰基水凝胶（ALG-Mn水凝胶）用于磁共振成像（MRI）引导下的MWA和CDT协同治疗（图1），为肿瘤完全清除提供了治疗新思路。相关研究成果以题为“Achieving Complete Tumor Clearance: A Minimalist Manganese Hydrogel for Magnetic Resonance Imaging-Guided Synergetic Microwave Ablation and Chemodynamic Therapy”发表在Adv. Healthc. Mater.杂志。南开大学博士研究生周燕为第一作者，天津市第一中心医院王凤梅教授、天津市第三中心医院经翔教授、天津医科大学总医院潘金彬博士和天津医科大学孙少凯教授为共同通讯作者。

图1：极简型ALG-Mn水凝胶用于磁共振成像引导下的MWA和CDT协同治疗示意图 

【文章要点】

该研究利用二价阳离子（Mn²⁺）能使ALG溶液交联成胶的特性，将氯化锰水溶液（MnCl₂）和ALG溶液通过简单混合搅拌形成可注射水凝胶，即ALG-Mn水凝胶。研究发现当ALG溶液浓度固定时，过低或过高浓度的Mn²⁺均不能使凝胶形成。同样当Mn²⁺浓度固定时，ALG溶液浓过低或亦不能成胶，为使ALG能最大浓度的负载Mn²⁺用于确保后续治疗疗效，最终使用了终浓度为100 mM的Mn²⁺和40 mg/mL的ALG水溶液按照1:1体积比进行混合搅拌，形成了具有良好可注射性的、多孔状凝胶结构（图2A-C），同时元素Mapping证实凝胶中成分较为简单，仅含有C、O和Mn元素（图2D）。

首先，作者从体外实验和细胞实验证明了所合成的ALG-Mn水凝胶具有显著的微波增敏和诱导类芬顿反应的特性。红外热值图像以及升温曲线结果表明，随着微波功率的提高，ALG-Mn水凝胶增敏作用越明显，在4 W，5 min的微波参数作用下，水凝胶作用下的温度可提高约70 ℃（图2E-F）。同时，无论是Mn²⁺溶液还是ALG-Mn水凝胶均可以通过诱导类芬顿反应产生ROS降解美兰溶液，而单独的ALG溶液则不具备该特性（图2G）。活死染色实验表明，在相同微波参数条件下，ALG-Mn水凝胶辅助的MWA对细胞具有更高的杀伤效能（图3A），提示ALG-Mn水凝胶能提高MWA效率。随后CCK8实验结果表明，在较低的浓度下ALG-Mn水凝胶即展示出了优异的细胞杀伤作用（图3B）。ALG-Mn水凝胶单独的细胞杀伤作用来源于水凝胶内大量的Mn²⁺通过诱导类芬顿反应使细胞内ROS水平显著提高（图3C），从而引起CDT作用。在随后的定量分析实验中显示，MWA联合ALG-Mn水凝胶具有协同治疗效应，随着微波功率的提高和ALG-Mn水凝胶浓度的增加协同治疗效果越好，同时高浓度ALG-Mn水凝胶可有效清除MWA后残存的肿瘤细胞（图3D-E），提示ALG-Mn水凝胶在具有微波增敏特性的同时可用于消融后残留肿瘤细胞的清除，实现肿瘤完全灭活。

图2：ALG-Mn水凝胶的合成及表征

图3：ALG-Mn水凝胶微波增敏及诱导细胞产生ROS效能评估

该研究进一步评估了ALG-Mn水凝胶辅助MWA的活体治疗疗效。结果显示，在低功率、短时间（3 W，2 min）的消融条件下，虽然单独的MWA组能显著抑制肿瘤的生长，但并不能使全组小鼠获得完全消融；与之相比，在ALG-Mn水凝胶辅助下的MWA组的小鼠均实现肿瘤完全消融（图4），肿瘤抑制能力显著优于对照组和单独ALG-Mn水凝胶组。上述结果表明，ALG-Mn水凝胶辅助MWA具有完全清除消融后潜在残存肿瘤的能力。此外，作者利用Mn²⁺具有顺磁性特性能用于MRI引导的可视化治疗。首先通过肾脏T1加权成像显示ALG-Mn水凝胶具有长达约3天时间释放Mn²⁺，证实了水凝胶具有缓释Mn²⁺作用。而肿瘤组织的T1加权成像可清晰观察到水凝胶在肿瘤组织内是否均匀分布，有助于指导下一步治疗方案的制定，为临床提供有效参考（图5）。

图4：ALG-Mn水凝胶辅助MWA实现肿瘤完全清除

图5：MRI引导可视化ALG-Mn水凝胶辅助MWA治疗

【小结】

ALG-Mn水凝胶具有显著的微波升温增敏和诱导类芬顿反应的特性，在联合治疗时，ALG-Mn水凝胶一方面可以通过微波增敏效应提高MWA消融温度，扩大消融范围，尽可能的清除大部分肿瘤；另一方面ALG-Mn水凝胶可以通过持续、高效CDT治疗作用彻底消灭潜在的残存肿瘤，最终在无需任何额外药物负载情况下即可实现肿瘤的完全清除。此外，水凝胶中含有大量的顺磁性Mn²⁺，可对肿瘤部位的ALG-Mn水凝胶的分布和Mn²⁺的释放进行实时动态MRI可视化。综上，本研究提出的极简型ALG-Mn水凝胶是一种简便、生物友好、具有良好临床转化前景成像可视化肿瘤治疗平台，可用于MWA-CDT联合治疗，为肿瘤完全清除提供了一种高效解决方案。

参考文献：

Yan Zhou, Gang Shu, Ying Luo, Fengmei Wang*, Xiang Jing*, Jinbin Pan*, Shao-Kai Sun*, Achieving Complete Tumor Clearance: A Minimalist Manganese Hydrogel for Magnetic Resonance Imaging-Guided Synergetic Microwave Ablation and Chemodynamic Therapy. Adv. Healthc. Mater. 2023, 2303268